使用電容式傳感器實現點式和連續式液位傳感

在本文的第 1 部分中，我們解釋了流行的液位傳感方法及其局限性。我們還深入研究了為什么電容傳感技術優于用于液位傳感的傳統方法。

在這里，我們將探討如何在點級和連續級傳感應用中實現電容傳感器。但首先，讓我們看一下電容傳感器在液位傳感系統中的工作原理(圖 1)。

圖 1：液位傳感系統框圖。

微控制器(例如賽普拉斯 PSoC)采用電容傳感器輸入并在 CPU 和電容感應引擎(在 PSoC 術語中稱為 CapSense)的幫助下計算液位。然后將液位信息發送到系統主機以進行進一步操作，同時將校準數據存儲在 EEPROM 中。

實施點位感應點位感應根據應用要求使用一個或多個傳感器放置在罐上的離散水平面上。這種傳感方法依賴于各個傳感器的開/關狀態來確定液位。

圖 2 顯示了一個儲罐，其底部裝有一個傳感器，用于檢測空位。根據傳感器的開/關狀態確定罐空狀態。當水箱未空且充滿導電液體時，傳感器將開啟。當水箱空了時，傳感器將關閉。

圖 2：用于空位檢測的電容式傳感器。

需要注意的是，在點級傳感操作中，傳感本身需要一個參考。如果參考不正確，感應將不準確。在電容感應方法中，基線是參考。

通常，對于基于電容感應的實現，對于用戶界面，系統假定在通電時沒有手指接觸傳感器。因此，基線是使用傳感器特性初始化的，主要是寄生電容——傳感器相對于系統接地的電容。

但在液位傳感方面，設置基線并不像開發用戶界面那么簡單。上電時沒有液體，傳感器熄滅，表示水箱是空的。并且當水箱充滿液體時，液體會增加電容，傳感器會開啟，表明水箱未空。

但是，如果在通電時罐中有液體，則可能會出現問題，尤其是在原始計數方面——當電容感應電路將測量的電容轉換為數字計數時。由于上電時測量的原始計數用作基準參考，因此傳感器將報告為關閉，表明儲罐未清空時為空。

有兩種方法可以解決這個問題：可靠的參考方法和校準方法。

可靠的參考方法

該方法使用與用于檢測液位的傳感器具有相似特性的虛擬傳感器進行。但是，它不會與液體直接接觸。換言之，該傳感器必須不受液位的影響。

然后可以將虛擬傳感器的原始計數用作實際傳感器的參考，因為這兩個傳感器具有相同的物理特性，并且理想情況下具有相同的基線。讓 C X 是虛擬傳感器和沒有液體的罐空檢測傳感器的電容。令 C L 為液體增加的電容。

無液體：虛擬傳感器電容 = C X 空罐檢測器 - 傳感器電容 = C X

使用液體：虛擬傳感器電容 = C X Tank-empty檢測器-傳感器電容 = C X + C L

測量罐空檢測傳感器和虛擬傳感器的電容(C L )的差值以檢測罐是否為空。

圖 3：帶有虛擬傳感器的板，顯示前視圖(左)和側視圖(右)。

設計虛擬傳感器對于布局設計師來說可能是一個挑戰。一個經驗法則是，在設計虛擬傳感器時，用于檢測的傳感器和虛擬傳感器的電容應該相同。為此，建議采用以下布局建議：

? 虛擬傳感器尺寸：應與用于液位檢測的傳感器相同。? 傳感器走線長度：應與用于液位檢測的傳感器具有相同的走線長度。但是，可以改變走線長度以匹配電容。? 過孔數量：必須與用于液位檢測的傳感器相同。為了減少整體寄生電容，通孔的數量必須限制為最多三個。? 傳感器放置：虛擬傳感器和用于液體檢測的傳感器必須放置在 PCB 的不同層上。

校準方法傳感器在用于傳感前需要在工廠校準。有和沒有液體的傳感器的原始計數應存儲在 EEPROM 中。接下來，在完成校準后，將傳感器的運行時原始計數與存儲的原始計數進行比較，以確定傳感器的開/關狀態。

實現連續液位感應

以咖啡機為例，它使用電容式傳感器的連續液位感應。連續液位傳感需要一個傳感板，主要由一個發射器 (TX) 和“n”個接收器 (RX) 傳感器組成，而“n”是接收器傳感器的數量。該值取決于罐的高度和所需的液位傳感分辨率。